(57)【要約】【課題】フィルタ法においては、隣接する２つの基本波と高調波、または高調波同士の周波数比が小さいことが、回路の複雑化を招き、高ノイズ化、高消費電力化、フィルタのコストアップなどに繋がっていた。さらに、分離した高調波周波数成分の信号の強度をサンプリングことになるので、コストの高いＡＤ変換器の採用が必須であった。そこで、隣接する２つの基本波と高調波、または高調波同士の周波数比を大きくすることで、回路構成が簡単で比較的遷移域の大きい安価なフィルタを採用し、かつ低いサンプリング周波数のＡＤ変換器の採用につながる高調波分離技術を提供することを目的とする。【解決手段】圧電素子の受信信号に局部発振波を混合し、受信信号の周波数をダウンコンバートする。【選択図】図６
2010017456.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
被検体内に第１超音波信号を送信する送信部と、
前記第１超音波信号が前記被検体内において反射して生成された第２超音波信号を受信して、Ｎ−１次波の電気信号及びＮ次波（Ｎは２以上の整数）の電気信号を含む受信信号を生成する受信部と、
前記受信信号に所定周波数を有する局部発振波の信号を混合して、前記Ｎ−１次波の電気信号の周波数及び前記Ｎ次波の電気信号の周波数を、各々前記所定周波数だけダウンコンバートして出力する混合部と、
前記混合部の出力から、前記Ｎ−１次波の電気信号を減衰させ、前記Ｎ次波の電気信号を出力するフィルタ部と、
前記フィルタ部が出力した前記Ｎ次波の電気信号をＡＤ変換するＡＤ変換部と、
を有することを特徴とする超音波診断装置。
【請求項２】
１次波の周波数をｆ０、前記所定周波数をｆｘ、高調波の次数をＮ（Ｎは２以上の整数）としたとき、下記条件を満足することを特徴とする請求項１に記載の超音波診断装置。
１０≦（Ｎ・ｆ０−ｆｘ）／（（Ｎ−１）・ｆ０−ｆｘ）
【請求項３】
前記受信部は、圧電素子を２次元状に配置した２次元圧電素子アレイであり、
前記混合部、前記フィルタ部及び前記ＡＤ変換部は、複数の前記圧電素子それぞれで生成された受信信号に対して処理することを特徴とする請求項１又は２に記載の超音波診断装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、被検体内に第１超音波信号を送信し、前記第１超音波信号が前記被検体内において反射して生成された第２超音波信号を受信して、前記第２超音波信号に基づいて前記被検体内の画像を形成する超音波診断装置に関し、特に、前記第２超音波信号の特定の高調波周波数成分の周波数をダウンコンバートして取り出すフィルタ部を有する超音波診断装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
超音波は、通常、１６０００Ｈｚ以上の音波をいい、非破壊、無害および略リアルタイムでその内部を調べることが可能なことから、欠陥の検査や疾患の診断等の様々な分野に応用されている。その一つに、被検体内を超音波で走査し、被検体内から来た超音波の反射波（エコー）から生成した受信信号に基づいて当該被検体内の内部状態を画像化する超音波診断装置がある。この超音波診断装置は、医療用では、他の医療用画像装置に較べて小型で安価であり、そしてＸ線等の放射線被爆が無く安全性が高いこと、また、ドップラ効果を応用した血流表示が可能であること等の様々な特長を有している。このため、超音波診断装置は、循環器系（例えば心臓の冠動脈等）、消化器系（例えば胃腸等）、内科系（例えば肝臓、膵臓および脾臓等）、泌尿器系（例えば腎臓および膀胱等）および産婦人科系等で広く利用されている。
【０００３】
この超音波診断装置には、被検体に対して超音波（超音波信号）を送受信する超音波トランスデューサーが用いられている。この超音波トランスデューサーは、圧電現象を利用することによって、送信の電気信号に基づいて機械振動して超音波（超音波信号）を発生し、被検体内部で音響インピーダンスの不整合によって生じる超音波（超音波信号）の反射波を受けて受信の電気信号を生成する複数の圧電素子を備え、これら複数の圧電素子が例えばアレイ状に２次元配列されて構成されている（例えば、特許文献１参照）。
【０００４】
また、近年では、超音波トランスデューサーから被検体内へ送信された超音波の周波数（基本周波数）成分ではなく、その高調波周波数成分によって被検体内の内部状態の画像を形成するハーモニックイメージング（Ｈａｒｍｏｎｉｃ  Ｉｍａｇｉｎｇ）技術が研究、開発されている。このハーモニックイメージング技術は、基本周波数成分のレベルに比較してサイドローブレベルが小さく、Ｓ／Ｎ比（Ｓｉｇｎａｌ  ｔｏ  Ｎｏｉｓｅ  ｒａｔｉｏ）が良くなってコントラスト分解能が向上すること、周波数が高くなることによってビーム幅が細くなって横方向分解能が向上すること、近距離では音圧が小さくて音圧の変動が少ないために多重反射が抑制されること、および、焦点以遠の減衰が基本波並みであり高周波を基本波とする場合に較べて深速度を大きく取れること等の様々な利点を有している。
【０００５】
このハーモニックイメージング技術には、大別すると、フィルタ法と位相反転法（パルスインバージョン法）との２つの方法がある。このフィルタ法は、高調波検出フィルタにより基本波成分と高調波成分とを分離し、高調波成分だけを抽出し、この高調波成分から超音波画像を生成する方法である。（例えば、特許文献２参照）。また、この位相反転法は、同一方向に続けて互いに位相が反転している第１および第２送信信号を送信し、これら第１および第２送信信号に対応する第１および第２受信信号を加算することによって高調波成分を抽出し、この高調波成分から超音波画像を生成する方法である。第１および第２受信信号における基本波成分は、位相が反転しているが、高調波の例えば２次高調波成分は、同相となるため、第１および第２受信信号を加算することによってこの２次高調波成分が抽出される（例えば、特許文献３参照）。
【特許文献１】特開２００４−０８８０５６号公報
【特許文献２】特許第３６８８５６１号公報
【特許文献３】特開平１１−３４２１３０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
フィルタ法においては、隣接する２つの基本波と高調波、または高調波同士の周波数比が小さいと、遷移域の小さいフィルタを採用する必要があり、構成部品点数が増加して回路の複雑化を招き、高ノイズ化、高消費電力化、フィルタのコストアップにつながる。また、遷移域の小さいフィルタの場合、僅かなノイズでも高調波として取り出されて増幅される現象や、取り出されるべき高調波が取り出されないという現象が発生する不具合があった。
【０００７】
また、分離した高調波周波数成分の信号の強度をサンプリングする場合、被検体内からの反射波を検出する時間分解能を向上させる上では、少なくとも基本周波数の８倍のサンプリング周波数でサンプリングすることが好ましい。しかし、そのような高い周波数に対応できるＡＤ変換器を、二次元配列された圧電素子に作り込むことは難易度が高く、高ノイズ化、高消費電力化、コストアップにつながってしまう。
【０００８】
位相反転法においては、基本波成分が除去されるのでフィルタは不要である。しかし、高調波成分のＡＤ変換を行うに際し、高い周波数に対応できるＡＤ変換器を、二次元配列された圧電素子に作り込むことは、フィルタ法の場合と同様に難易度が高く、高ノイズ化、高消費電力化、コストアップに繋がる。
【０００９】
本発明は上記問題に鑑み、安価な比較的遷移域の大きいフィルタを採用でき、かつ低いサンプリング周波数のＡＤ変換器の採用につながる高調波分離技術を搭載した超音波診断装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
前述の目的は、下記に記載する発明により達成される。
【００１１】
１．被検体内に第１超音波信号を送信する送信部と、
前記第１超音波信号が前記被検体内において反射して生成された第２超音波信号を受信して、Ｎ−１次波の電気信号及びＮ次波（Ｎは２以上の整数）の電気信号を含む受信信号を生成する受信部と、
前記受信信号に所定周波数を有する局部発振波の信号を混合して、前記Ｎ−１次波の電気信号の周波数及び前記Ｎ次波の電気信号の周波数を、各々前記所定周波数だけダウンコンバートして出力する混合部と、
前記混合部の出力から、前記Ｎ−１次波の電気信号を減衰させ、前記Ｎ次波の電気信号を出力するフィルタ部と、
前記フィルタ部が出力した前記Ｎ次波の電気信号をＡＤ変換するＡＤ変換部と、
を有することを特徴とする超音波診断装置。
【００１２】
２．１次波の周波数をｆ０、前記所定周波数をｆｘ、高調波の次数をＮ（Ｎは２以上の整数）としたとき、下記条件を満足することを特徴とする前記１に記載の超音波診断装置。
１０≦（Ｎ・ｆ０−ｆｘ）／（（Ｎ−１）・ｆ０−ｆｘ）
３．前記受信部は、圧電素子を２次元状に配置した２次元圧電素子アレイであり、
前記混合部、前記フィルタ部及び前記ＡＤ変換部は、複数の前記圧電素子それぞれで生成された受信信号に対して処理することを特徴とする前記１又は２に記載の超音波診断装置。
【発明の効果】
【００１３】
周波数をダウンコンバートすることで、隣接する２つの基本波と高調波、または高調波同士の周波数比を大きくできる。これにより回路構成が簡単で安価な比較的遷移域の大きいフィルタを用いても、低ノイズ、低消費電力で高調波周波数成分の分離性を向上させることができ、かつ低い対応周波数のＡＤ変換器を採用できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
以下に本発明の実施形態を図面により説明するが、本発明は以下に説明する実施形態に限られるものではない。なお、各図において同一の符号を付した構成は、同一の構成であることを示し、その説明を省略する。また、本明細書において、適宜、総称する場合には添え字を省略した参照符号で示し、個別の構成を指す場合には添え字を付した参照符号で示す。
【００１５】
図１は実施形態における超音波診断装置Ｓの外観構成を示す図であり、図２は実施形態における超音波診断装置Ｓの電気的な構成を示すブロック図である。超音波診断装置Ｓは、図１および図２に示すように、図略の生体等の被検体に対して超音波（第１超音波信号）を送信すると共に、この被検体で反射した超音波の反射波（エコー、第２超音波信号）を受信する超音波トランスデューサー２と、超音波トランスデューサー２とケーブル３を介して接続され、超音波トランスデューサー２へケーブル３を介して電気信号の送信信号を送信することによって超音波トランスデューサー２に被検体に対して第１超音波信号を送信させると共に、超音波トランスデューサー２で受信された被検体内からの反射波である第２超音波信号に基づいて、被検体内の内部状態を超音波画像として画像化する超音波診断装置本体１とを備えて構成される。
【００１６】
超音波診断装置本体１は、例えば、図２に示すように、操作入力部１１と、送信部１２と、受信部１３と、周波数制御部１４と、画像処理部１５と、表示部１６と、制御部１７と、タイミング発生部１９とを備えて構成されている。
【００１７】
操作入力部１１は、例えば、診断開始を指示するコマンドや被検体の個人情報等のデータの入力を受け付けるものであり、例えば、複数の入力スイッチを備えた操作パネルやキーボード等である。
【００１８】
送信部１２は、制御部１７の制御に従って、超音波トランスデューサー２へケーブル３を介して電気信号の送信信号を供給して超音波トランスデューサー２に第１超音波信号を発生させる回路である。
【００１９】
送信部１２は、例えば、制御部１７からの送信信号に応じて送信ビームを形成する図示しない送信ビームフォーマ回路を備えて構成される。受信部１３は、制御部１７の制御に従って、超音波トランスデューサー２からケーブル３を介して電気信号の受信信号を受信する回路であり、この受信信号を周波数制御部１４へ出力する。受信部１３は、例えば、受信信号を予め設定された所定の増幅率で増幅する増幅器等を備えて構成される。
【００２０】
周波数制御部１４は、後述するようにして、受信信号の周波数をダウンコンバートする回路等で構成されている。
【００２１】
タイミング発生部１９は、超音波診断装置本体１の各部の動作タイミングを生成し、動作タイミングの必要な各部へ出力するものである。
【００２２】
画像処理部１５は、制御部１７の制御に従って、周波数制御部１４において、ダウンコンバートされた受信信号に基づいて被検体内の内部状態の画像（超音波画像）を生成する回路である。
【００２３】
表示部１６は、制御部１７の制御に従って、画像処理部１５で生成された被検体の超音波画像を表示する装置である。表示部１６は、例えば、ＣＲＴディスプレイ、ＬＣＤ、有機ＥＬディスプレイおよびプラズマディスプレイ等の表示装置やプリンタ等の印刷装置等である。
【００２４】
制御部１７は、例えば、マイクロプロセッサ、記憶素子およびその周辺回路等を備えて構成され、これら操作入力部１１、送信部１２、受信部１３、周波数制御部１４、画像処理部１５および表示部１６を当該機能に応じてそれぞれ制御することによって超音波診断装置Ｓの全体制御を行う回路である。
【００２５】
図３は、超音波トランスデューサー（超音波プローブ）２の構造を示す図である。超音波トランスデューサー２は、被検体内に第１超音波信号を送信し、この第１超音波信号に対する被検体内からの反射波である第２超音波信号を受信する装置であって、例えば、図３（Ａ）に示すように、圧電現象を利用することによって電気信号と超音波信号との間で相互に信号を変換することができる複数の圧電素子２２を備えて構成されている。すなわち、複数の圧電素子２２は、被検体内へ第１超音波信号を送信する場合では、超音波診断装置本体１の送信部１２からケーブル３を介して入力された送信の電気信号を圧電現象を利用することによって第１超音波信号に変換して被検体内にこの第１超音波信号を送信し、そして、被検体内からの第２超音波信号を受信する場合では、圧電現象を利用することによってこの受信した第２超音波信号を電気信号に変換して受信信号をケーブル３を介して超音波診断装置本体１の受信部１３へ出力する。超音波トランスデューサー２が被検体に当てられることによって、圧電素子２２で生成された第１超音波信号が被検体内へ送信され、被検体内からの第２超音波信号が圧電素子２２で受信される。
【００２６】
より具体的には、例えば、図３（Ｂ）に示すように、これら複数の圧電素子２２のそれぞれは、導電線の信号線２４と接続する導電材料から成る信号電極層２２２と、信号電極層２２２上に形成され、圧電材料から成る圧電層２２１と、圧電層２２１上に形成され、導電材料から成る接地電極層２２３とを備えて構成される。すなわち、これら複数の圧電素子２２のそれぞれは、互いに対向する一対の第１および第２電極を備え、これら第１および第２電極間に、圧電材料から成る圧電部が形成されている。
【００２７】
なお、本明細書において、前述のように、総称する場合には添え字を省略した参照符号で示し、個別の構成を指す場合には添え字を付した参照符号で示す。また、添え字のうちの左側の添え字は、行番号を示し、その右側の添え字は、列番号を示している。例えば、圧電素子２２−２３は、行番号２で列番号３の圧電素子２２である。
【００２８】
これら複数の圧電素子２２は、平板状の音響制動部材２１の一方主面上に配置され、これら複数の圧電素子２２上に音響整合層２３が積層される。複数の圧電素子２２は、クロストーク等の相互干渉を低減するために、互いに所定の隙間（溝、間隙、ギャップ）を空けて音響制動部材２１上に配置される。なお、さらに相互干渉を低減するために、超音波を吸収する超音波吸収材がこの隙間に充填されることが好ましい。この超音波吸収材には、例えば、ポリイミド樹脂やエポキシ樹脂等の熱硬化性樹脂等が用いられる。
【００２９】
音響制動部材２１は、超音波を吸収する材料から構成され、複数の圧電素子２２から音響制動部材２１方向へ放射される超音波を吸収するものである。音響制動部材２１は、一般に、ダンパあるいはバッキング層とも呼ばれる。そして、各圧電素子２２のそれぞれに接続する複数の信号線２４（図３（Ａ）では信号線２４−１１〜２４−４６）が音響制動部材２１を貫通している。なお、各圧電素子２２のそれぞれに接続する複数の接地線（アース線）は、図示が省略されているが、各圧電素子２２の上面からそれぞれ引き出される。
【００３０】
音響整合層２３は、圧電素子２２の音響インピーダンスと被検体の音響インピーダンスとの整合をとる部材である。したがって、音響整合層２３は、圧電素子２２の音響インピーダンスと被検体の音響インピーダンスとの差が最も小さくなるように設定される。音響整合層２３は、単層で構成されてもよく、あるいは、複数層で構成されてもよい。なお、図３（Ａ）では、この音響整合層２３の図示が省略されている。また、音響整合層２３は、円弧状に膨出した形状とされ、被検体に向けて送信される超音波を収束する音響レンズの機能を兼用してもよく、また、このような音響レンズが音響整合層２３上に積層されてもよい。
【００３１】
このような構成の超音波診断装置Ｓでは、例えば、操作入力部１１から診断開始の指示が入力されると、制御部１７の制御によって送信部１２で電気信号の送信信号が生成される。この生成された電気信号の送信信号は、ケーブル３を介して超音波トランスデューサー２へ供給される。より具体的には、この電気信号の送信信号は、超音波トランスデューサー２における圧電素子２２へ供給され、該圧電素子２２がその厚さ方向に伸縮し、超音波振動する。この超音波振動によって、圧電素子２２は、第１超音波信号を放射する。圧電素子２２から音響制動部材２１方向へ放射された第１超音波信号は、音響制動部材２１によって吸収される。また、圧電素子２２から音響整合層２３方向へ放射された第１超音波信号は、音響整合層２３を介して放射される。超音波トランスデューサー２が被検体に例えば当接されていると、これによって超音波トランスデューサー２から被検体に対して第１超音波信号が送信される。
【００３２】
なお、超音波トランスデューサー２は、被検体の表面上に当接して用いられてもよいし、被検体の内部に挿入して、例えば、生体の体腔内に挿入して用いられてもよい。
【００３３】
各圧電素子２２から順次に超音波が被検体に向けて送信され、被検体で反射した第２超音波信号が複数の圧電素子２２で受信される。
【００３４】
この被検体に対して送信された超音波は、被検体内部における音響インピーダンスが異なる１または複数の境界面で反射され、超音波の反射波（第２超音波信号）となる。この第２超音波信号には、送信された第１超音波信号の周波数（基本波の基本周波数）成分だけでなく、基本周波数の整数倍の高調波の周波数成分も含まれる。例えば、基本周波数の２倍、３倍および４倍等である。
【００３５】
ここで、圧電素子２２は、第２超音波信号に含まれる周波数成分のうち、第１超音波信号の周波数をｆ０としたときに、ｆ０／１１以上、１１・ｆ０以下の広い受信帯域で機械的に振動し、その振動に応じた電気信号を出力する。
【００３６】
そして、該圧電素子２２で取り出されたこの電気信号の受信信号は、ケーブル３を介して制御部１７で制御される受信部１３で受信される。受信部１３は、この入力された受信信号を受信処理し、周波数制御部１４へ出力する。そして、周波数制御部１４で所望の高調波周波数成分をダウンコンバートしつつ取り出し、画像処理部１５へ出力する。
【００３７】
ここで周波数制御部１４の機能について具体的に説明する。周波数制御部１４においては、受信信号に含まれる高調波周波数成分をダウンコンバートさせてからフィルタに入力してダウンコンバートされた高調波周波数成分を取り出す。こうすることで、隣接する２つの基本波と高調波、または高調波同士の周波数比を大きくし、遷移域が小さく、構成が簡単で安価なフィルタを採用できる。この理由について図４を用いて説明する。図４は基本波と高調波の周波数スペクトルの関係を示す図である。横軸は周波数、縦軸は各波の強度の振幅を表す。周波数ｆ０の基本波Ｗ１の強度は高調波の強度より大きく、一般に周波数ｆ１の２次波Ｗ２の強度に対して２０ｄＢ大きい。また、２次波Ｗ２の強度は、周波数ｆ２の３次波Ｗ３の強度に対して２０ｄＢ大きい。基本波は予めＨＰＦ（Ｈｉｇｈ  Ｐａｓｓ  Ｆｉｌｔｅｒ）を用いて減衰させるとし、ＨＰＦを通過した２次波Ｗ２を、さらにＨＰＦを用いて減衰させ、３次波を取り出す場合を考える。３次波は画像信号に用いるので、２次波の振幅を、無視できるノイズレベルである４８ｄＢ以下に抑えたい。２次波は３次波より２０ｄＢ大きいとすると、４８ｄＢ以下に抑えるには、２次波を６８ｄＢダウンさせるＨＰＦが必要となる。一般に知られているオペアンプを用いた３次のバタワースフィルタは、通過させたい周波数の半分の周波数を１８ｄＢ減衰させることができる。そうすると、通過させたい周波数の半分の周波数を６８ｄＢ減衰させるには、１２次のフィルタが必要となる。２次波の周波数は３次波の周波数の半分よりは大きいので、２次波を減衰させて３次波を通過させるには、さらに大きな次数のフィルタが必要となってしまう。そこで、減衰させたい周波数と通過させたい周波数の比を大きくしてやる。そのために、２次波と３次波の周波数を等しくダウンコンバートさせる。こうすることで、減衰させたい２次波の周波数と、通過させたい３次波の周波数の比を大きくすることができる。
【００３８】
高調波周波数成分をダウンコンバートする方法として、高調波に局部発振源から出力される局部発振波を混合して掛け合わせる。そしてダウンコンバートされた周波数の信号のみ簡易なローパスフィルタを用いて取り出し、取り出した信号の中に含まれる高調波周波数成分を取り出す。
【００３９】
ここで、高調波に局部発振波を掛け合わせて得られる信号を求める。高調波ＬＯを式（１）、局部発振波ＲＦを式（２）のように定義し、高調波ＬＯと局部発振波ＲＦとを掛け合わせると、得られる信号ＩＦは式（３）で表される。
ＬＯ＝（２Ｐ１）１／２ｃｏｓ（ｗ１ｔ）                                    （１）
ＲＦ＝（２Ｐ２）１／２ｃｏｓ（ｗ２ｔ）                                    （２）
ＩＦ＝（Ｐ１Ｐ２）１／２（ｃｏｓ（ｗ１＋ｗ２）ｔ＋ｃｏｓ（ｗ１−ｗ２）ｔ）  （３）
ここで、Ｐ１は高調波のパワー、Ｐ２は局部発振波のパワー、ｗ１は高調波の角周波数、ｗ２は局部発振波の角周波数、ｔは時間を表す。なお、高調波ＬＯと局部発振波ＲＦの位相については、一定の位相関係を有するとして式中では省略した。式（３）から、信号ＩＦの周波数は、高調波と局部発振波の周波数を足し合わせた和周波の周波数と、高調波と局部発振波の周波数の差である差周波の周波数とがある。和周波は高調波を局部発振波の周波数分アップコンバートした周波数であり、差周波は高調波から局部発振波の周波数分ダウンコンバートした周波数である。
【００４０】
被検体において反射した画像信号を含む高調波には、画像信号に相当する強度変調成分が含まれ、上記のように高調波をコンバートしても強度変調成分は保持される。従って、周波数をコンバートした信号ＩＦは、画像信号を含んでいる。和周波は高調波の周波数より大きくなるが、差周波との周波数の差が非常に大きいので、簡易で安価なローパスフィルタで除去する。
【００４１】
図５（Ａ）は、圧電素子２２からの受信信号の周波数をコンバートする回路の一例である。符号３０は局部発振源であり、発振された局部発振波と、圧電素子２２からの受信信号とを、混合器３１で混合し、局部発振波と受信信号とを掛け合わせた信号ＩＦを生成する。混合器３１の例としては、図５（Ｂ）に示すように、ダイオードのアノードに高周波成分ＬＯと局部発振波ＲＦとを同電位で印加し、カソードから混合波を得る、という構成がある。この他、ダイオードの代わりに図示しないトランジスタを用い、トランジスタのベースに高周波成分ＬＯと局部発振波ＲＦとを印加し、コレクタから混合波を得る、という構成も採用可能である。
【００４２】
次に、圧電素子２２で被検体から反射した超音波を受信してから、周波数制御部１４内で実施される処理について、図６を用いて説明する。
【００４３】
圧電素子２２で受信した超音波は受信部１３で電気信号に変換される。この電気信号は基本波成分と高調波周波数成分の信号を含んでいる。
【００４４】
なお、圧電素子は複数のアレイであり、受信部１３からの電気信号は周波数制御部１４内で、各々の圧電素子２２の電気信号に対して処理がされ、後述するように、Ｂｅａｍ  Ｆｏｒｍｉｎｇ回路４８に合わせて入力される。
【００４５】
次に電気信号は、基本波低減ＨＰＦ４１に入力され、高調波周波数成分の信号の強度を落とさずに、基本波成分の強度のみを減衰させる。こうすることで高調波周波数成分のみ取り出しやすいようにする。一方、局部発振器３０において局部発振波を発生させる。そして、高調波と、局部発振波とを混合器３１に入力して混合させて掛け合わせる。混合器３１は上記のものを使用できる。次に混合された信号をＬＰＦ４４に入力し、上記のように和周波を除去し、高調波周波数成分をダウンコンバートした信号のみを取り出す。次にダウンコンバートされた高調波周波数成分の中で所望の次数の高調波を取り出すためのフィルタ４５に入力する。
【００４６】
高調波が２次と３次の高調波のみであり、３次高調波のみを取り出す場合は、カットオフ周波数が２次と３次の高調波の周波数の間にあるＨＰＦをフィルタ４５に用いる。高調波が２次と３次の高調波のみであり、２次高調波のみを取り出す場合は、カットオフ周波数が２次と３次の高調波の周波数の間にあるＬＰＦをフィルタ４５に用いる。２次と３次の両方の高調波を取り出したい場合には、混合器４１からの出力を二つに分割し、一方をＨＰＦに入力して３次の高調波周波数成分を取り出し、他方をＬＰＦに入力して２次の高調波を取り出す。
【００４７】
次にフィルタ４５を出力した高調波の信号を、ＡＤＣ（Ａｎａｌｏｇ  Ｄｉｇｉｔａｌ  Ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ）４６に入力し、アナログ値である信号をデジタル値に変換する。次に、Ｄｉｇｉｔａｌ  ＦＩＲ（Ｄｉｇｉｔａｌ  Ｆｉｎｉｔｅ  Ｉｍｐｕｌｓｅ  Ｒｅｓｐｏｎｓｅ  Ｆｉｌｔｅｒ）４７に入力し、欲しい周波数の信号を通過させ、不要な低周波の信号をカットする。そして、同様に処理された他の圧電素子２２からの電気信号とともに、Ｂｅａｍ  Ｆｏｒｍｉｎｇ回路４８に入力し、各超音波振動子で受信した超音波の位相を揃え、強い信号を作製し、次工程の画像処理部１５へ送る。
【００４８】
次に図７を用いて、２次波と３次波との周波数の比を大きくするために、局部発振波の周波数に要求される条件について説明する。局部発振波の周波数をｆｘ、周波数をダウンコンバートした後の２次波と３次波の周波数をそれぞれｆ１’、ｆ２’とすると以下の式が成り立つ。
ｆ１’＝ｆ１−ｆｘ                                                    （４）
ｆ２’＝ｆ２−ｆｘ                                                    （５）
次に、ダウンコンバート後の２次波に対するダウンコンバート後の３次波の周波数の比をＫとすると、次の式（６）が成り立つ。
Ｋ＝（ｆ２−ｆｘ）／（ｆ１−ｆｘ）                                    （６）
また、これらの式からｆｘは次の式（７）で表される。
ｆｘ＝（Ｋｆ１−ｆ２）／（Ｋ−１）                                    （７）
次に最適なＫについて説明する。図７（Ａ）は、２次波Ｗ２の周波数ｆ１と３次波Ｗ３の周波数ｆ２との関係を示している。ｆ２はｆ１の１．５倍の大きさとなる。上記のように１．５倍の比しかない周波数を分離するフィルタは複雑で高価である。これに対し、構成しやすくて安価なフィルタの条件について考える。例えば３次のバタワースのＬＰＦを用いて、図７（Ｂ）に示すように周波数の比Ｋが１６倍の周波数を分離する場合、７２ｄＢ減衰させることができる。すると、上記のように、２次波の振幅を画像信号としてノイズレベルに落とす６８ｄＢを上回ることができる。よってＫの値として１６が好適である。少なくともＫが１０以上であれば、ノイズを抑えて３次波を取り出すことができる。
【００４９】
なお、上記の関係は２次波と３次波とに限ったことではなく、隣り合う次数の信号を分離するという意義があることから、式（６）は次の式（８）のように一般化できる。
Ｋ＝（Ｎ・ｆ０−ｆｘ）／（（Ｎ−１）・ｆ１−ｆｘ）                    （８）
ここで、Ｎは取り出したい高調波の次数を表し、Ｎは２以上の整数である。以上のように周波数制御部のフィルタの構成を最適化することで、２次波を除去し３次波を取りだすことができる。
【００５０】
次に、画像処理部１５は、制御部１７の制御によって、受信部１３で受信された受信信号に基づいて、送信から受信までの時間や受信強度等から被検体の超音波画像を生成し、表示部１６は、制御部１７の制御によって、画像処理部１５で生成された被検体の超音波画像を表示する。
【００５１】
以上のように、本実施形態によれば、周波数制御部１４で周波数をダウンコンバートすることで、隣接する２つの基本波と高調波、または高調波同士の周波数比を大きくできる。これにより回路構成が簡単で安価な比較的遷移域の大きいフィルタ４５を用いても、低ノイズ、低消費電力で高調波周波数成分の分離性を向上させることができ、かつ低い対応周波数のＡＤ変換器４６を採用できる。
【００５２】
本実施の形態によれば、１次波の周波数をｆ０、局部発振波の周波数をｆｘ、高調波の次数をＮ（Ｎは２以上の整数）、ダウンコンバート後のＮ−１次波に対するダウンコンバート後のＮ次波の周波数の比であるＫとしたとき、下記式で表されるＫを所望する周波数比となるようにｆ０、ｆｘ、Ｎを設定することでフィルタ４５の性能に応じた高調波周波数成分の分離性を確保することができ、特にＫを１０以上とすることにより、ノイズを抑えて高調波を取り出すことができる。
Ｋ＝（Ｎ・ｆ０−ｆｘ）／（（Ｎ−１）・ｆ０−ｆｘ）
本実施の形態によればトランスデューサー２は、複数の圧電素子２２を２次元状に配置した２次元圧電素子アレイであり、周波数制御部１４は複数の圧電素子それぞれで生成された受信信号に対して処理しているので、高分解能、高フレームレートかつノイズの少ない超音波診断画像を、少ない消費電力で提供することが可能となる。
【００５３】
本発明を表現するために、上述において図面を参照しながら実施形態を通して本発明を適切且つ十分に説明したが、当業者であれば上述の実施形態を変更したり、改良することは容易に為し得ることであると認識すべきである。従って、当業者が実施する変更形態または改良形態が、請求の範囲に記載された請求項の権利範囲を離脱するレベルのものでない限り、当該変更形態または当該改良形態は、当該請求項の権利範囲に包括されると解釈される。特に、図３で示した圧電素子２２は、超音波の送信と受信とを共用させてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００５４】
【図１】実施形態における超音波診断装置Ｓの外観構成を示す図である。
【図２】実施形態における超音波診断装置Ｓの電気的な構成を示すブロック図である。
【図３】実施形態における超音波トランスデューサー２の構造を示す図である。
【図４】実施形態における基本波と高調波の周波数スペクトルの関係を示す図である。
【図５】実施形態における圧電素子２２からの受信信号の周波数をコンバートする回路の一例を示す図である。
【図６】実施形態における周波数制御部１４内で実施される処理の概要を示す図である。
【図７】実施形態における２次波Ｗ１の周波数ｆ１と３次波Ｗ２の周波数ｆ２との関係を示す図である。
【符号の説明】
【００５５】
１  超音波診断装置本体
２  超音波トランスデューサー
３  ケーブル
１１  操作入力部
１２  送信部
１３  受信部
１４  周波数制御部
１５  画像処理部
１６  表示部
１７  制御部
１８  参照信号記憶部
１９  タイミング発生部
２１  音響制動部材
２２  圧電素子
２３  音響整合層
２４  信号線
３０  局部発振器
３１  混合器
４０  受波回路
４５  フィルタ
２２１  圧電層
２２２  信号電極層
２２３  接地電極層
Ｓ  超音波診断装置
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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